C++课件第10章多态Word文件下载.docx
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下一章再讲。
⏹函数覆盖：
这是本章所要讨论的。
一、静态联编和动态联编
联编是指一个计算机程序自身彼此关联的过程。
按照联编所进行的阶段不同，可分为两种不同的联编方法：
静态联编和动态联编。
1静态联编
静态联编是指联编工作出现在编译连接阶段，这种联编又称早期联编，因为这种联编过程是在程序开始运行之前完成的，在编译时就解决了程序中的操作调用与执行该操作代码间的关系。
下面举一个静态联编的例子，该例子是图形面积的计算。
例1：
classPoint{//该类计算点的面积
private:
doublex,y;
//点的坐标
public:
Point（doublei,doublej）{x=i;
y=j;
}//构造函数
doublearea（）const{return0.0;
}//计算面积
};
classRectangle:
publicpoint{//计算矩型面积
doublew,h;
//矩型长、宽
//构造函数，包含对父类成员变量的初始化
Rectangle（doublei,doublej,doublek,doublel）;
//覆盖了父类同名函数area（）
//area（）const表示函数内不可更改成员变量的值，
//保证在该函数内使用的成员变量只是传值,并不发生值的变化
doublearea（）const{returnw*h;
}
Rectangle:
:
Rectangle（doublei,doublej,doublek,doublel）:
point（i,j）
{w=k;
h=l;
voidfun（Point&
s）//全局函数,传递对象引用
{cout<
s.area（）;
}
voidmain（）{
Rectanglerec（3.0,5.2,15.0,25.0）;
fun（rec）;
}
该程序的运行结果为：
0。
算出了点的面积而不是矩形面积，为什么？
虽然实例化了一个矩形对象Rectangle：
但是，在调用fun（rec）时，由于Rectangle类继承了Point类，因此Rctangle对象rec实例化时肯定要实例化一个Point，而函数voidfun（Point&
s）的形参类型正好是Point对象引用，因此编译器在编译时把函数实参绑定到Point对象的引用上。
这是静态联编的结果，导致程序输出了所不期望的结果。
虽然上面的例子将voidfun（Point&
s）改为voidfun（Rectangle&
s）可轻易解决问题，但这不符合多态“一个概念，多种实现”的思想，我们希望的是；
维持Point这“一个概念”，让voidfun（Point&
s）作为对外服务的接口，持有一个指向Point的对象&
s，而在具体的矩型、多边型、圆型对象中，动态的按需调用所需的对象。
这需要动态联编技术。
2动态联编
动态联编实际可以在程序运行时动态识别所需调用的对象。
c++规定动态联编是在虚函数的支持下实现的。
二、虚函数
1虚函数基本特点
如果某类中的一个成员函数被说明为虚函数，这就意味着该成员函数在派生类中可能有不同的实现。
当使用一个指针或引用所标识对象操作该成员函数时，对该成员函数调用采取动态联编方式。
声明一个成员函数为虚函数，只需在函数声明前加virtual关键字即可。
C++对virtual函数进行动态联编。
下面将例1的area（）声明为虚函数：
例2（为简化，删掉了构造函数）：
classPoint{//该类计算点的面积
virtualdoublearea（）const{return0.0;
}//虚函数
//矩型长、宽
//子类也可以不写virtual
virtualdoublearea（）const{returnw*h;
}};
输出结果是375。
因为area（）声明为虚函数，C++对其动态联编，运行时确定，将fun（rec）中的&
s形参绑定到子类对象rec。
形象的说，动态联编是“自下向上”绑定对象的，先看看有没有本类对象，有则绑定本类对象，没有则从最低一级逐级向上绑定，如例2所示。
而静态联编是“自上向下”先看看本类有没有合适对象，有则绑定本类对象，没有则从最高一级开始向下查找绑定对象的，如例1所示。
2运行时多态的好处
可以只曝露较抽象的基类，而隐藏具体类的实现，用户调用抽象的服务得到的是具体的服务。
运行时多态也有利于实现分布式智能化服务。
这些好处是与具体语言无关的。
对例2作伪代码扩展，可以看出运行时多态的好处。
例3（伪代码）：
classPOINT{virtualarea（）}//抽象服务类
//以下是具体服务类，继承了POINT
classSHAPE1:
POINT{virtualarea（）}
classSHAPE2:
POINT{virtualarea（）}
classSHAPE3:
fun（Point&
s）//一个抽象服务接口
{s.area（）}
SHAPE1S1；
fun（S1）；
//具体服务，系统动态确定
SHAPE1S2；
fun（S2）；
SHAPE1S3；
fun（S3）；
用户只需知道fun（）的位置，知道fun（）提供计算面积的服务，需要计算具体图形面积时，创建一个该图形对象即可，不必关心这个具体图形面积是哪个对象计算的。
这是一种非常优雅的体系结构。
3进一步理解虚函数
C++动态联编必需的条件是：
⏹要建立子类型关系。
⏹要有虚函数的说明，只有虚函数才可以动态联编。
⏹要虚函数发挥作用，必须用基类的指针（或引用）指向派生类的对象（比如例2中的fun（Point&
s）），
⏹只有地址才能体现多态性，要用指针（或引用）调用虚函数。
如果在一个函数内调用虚函数，如果默认的this指针有效，是符合本条要求的。
例4符合上述要求的动态联编：
#include
<
iostream.h>
classA
{
public:
virtualvoidact1（）;
//有虚函数
voidact2（）{
act1（）;
//类成员调用虚函数,有默认的this指针
this->
//类函数调用虚函数，显式的this
A:
}//
使用了类限定符，this无效，静态联编
voidA:
act1（）{cout<
"
act1（）called"
;
}
classB:
publicA{//建立子类型关系
virtualvoidact1（）;
//有虚函数
};
void
B:
act1（）
{cout<
act1（）called“;
}
voidmain（）
Bb;
b.act2（）;
运行结果是：
act1（）calledB:
act1（）calledA:
act1（）called
3构造函数调用虚函数
在“第9章继承”曾讲过，派生类构造函数的调用顺序如下：
●先调基类的构造函数产生基类对象
●再调用派生类构造函数
当构造函数内调用虚函数时，仍沿用上述规则，但对虚函数的调用采用的是静态联编而不是动态联编，
为什么会这样，先看例5：
例5：
构造函数中调用虚函数。
classA{
A（）{}
//无参构造函数
virtualvoidf（）{cout<
f（）called."
classB:
publicA{
B（）{f（）;
}//构造函数中调用虚函数
voidg（）{f（）;
classC:
publicB
C（）{}
virtualvoidf（）{cout<
C:
voidmain（）
Cc;
c.g（）;
输出结果为：
f（）called.C:
f（）called.
下面分析该程序的运行过程：
（1）当执行Cc;
时，调用构造函数初始化对象c，按构造函数调用规则：
●先调A的构造函数，无输出。
●再调B的构造函数，B（）要调虚函数f（），由于B没有实现f（），按虚函数动态绑定“自下而上”的规律，应该先绑定C:
f（），但此时C的构造函数还没有被调用，无法绑定C:
f（）。
C++只好规定，构造函数内调用虚函数时用静态绑定。
于是按静态绑定的规律：
●向上找A类，有，输出A:
f（）called。
（2）当执行c.g（）;
c对象已实例化了（所有构造函数都调用完成），回到正常的虚函数动态绑定“自下而上”的规律，g（）函数内绑定了C：
：
f（），输出C:
（3）通过上述讨论可知：
C++之所以规定构造函数内调用虚函数是静态联编，原因是无法找到动态联编所需的对象（比如本例中的对象c）。
4语法约定
对于虚函数的使用，C++做了一些规定，把重要的几条罗列如下：
⏹派生类虚函数的返回类型、参数个数要与基类一样。
⏹派生类虚函数参数类型要与基类一样，否则C++按基类虚函数形参类型进行强制转换。
⏹派生类虚函数声明可以不写virtual，只在基类中写就可以了。
5虚函数和虚表
简要讨论一下虚函数在c++中的实现机制。
虚函数在c++中的实现机制用的是虚表和虚指针。
每个类用了一个虚表，每个类的对象用了一个虚指针。
对于以下代码：
classA{
virtualvoidf（）;
virtualvoidg（）;
inta};
classB:
publicA{
voidg（）;
intb;
A有virtualvoidf（）和virtualvoidg（），编译器为A类准备了一个虚表vtableA，：
f（）的地址
g（）的地址
因为B继承了A，所以编译器也为B准备了一个虚表vtableB，内容如下：
注意：
因为B:
ｇ是重写了的，所以B的虚表的g放的是B:
g的入口地址，但是f是从A继承的，所以f的地址是A:
f的入口地址。
然后当Bb实例化对象的时候，编译器开始给对象分配空间，除了A的inta，B的成员intb；
以外，还分配了一个虚指针vptr，指向B的虚表vtableB，对象b的布局如下：
vptr：
指向B的虚表vtableB
inta：
继承A的成员
intb：
B成员
当有如下符合动态联编条件的语句：
A*pa=&
b;
pa能访问到b对象的前两项，但访问不到第三项intb。
这行代码反映了多态思想的关键：
将已创建的子类对象的引用或指针指向父类对象---可以是显式的也可以是隐式，这样可以使父类对象为子对象提供外界访问的接口（JAVA也是这样要求的，需要将一个子类对象的引用隐式或显式的传给父类对象），由父类对象对虚函数的访问进行动态绑定。
当pa->
g（）开始绑定对象时，编译器知道的是，g（）是一个声明为virtual的成员函数，而且其入口地址放在表格（无论是vtalbeA表还是vtalbeB表）的第2项，那么编译器编译这条语句的时候就如是转换：
call*（pa->
vptr）[2]），（这一行可看作伪代码）。
这一项放的是B:
g（）的入口地址，则就实现了多态。
（注意b的vptr指向的是B的虚表vtableB）。
C++标准只要求用虚标机制实现多态，至于虚指针vptr到底放在一个对象布局的哪里，标准没有要求，每个编译器自己决定。
如果继承体系的基类的virtual成员不多，而且在派生类要重写的部分占了其中的大多数时候，用Ｃ＋＋的虚函数机制是比较好的；
但是如果继承体系的基类的virtual成员很多，或者是继承体系比较庞大的时候，而且派生类中需要重写的部分比较少，那就用另一种多态实现机制：
“名称查找表”效率会高一些，很多的ＧＵＩ库都是这样的。
三、纯虚函数和抽象类
JAVA语言中有抽象类和接口的语法。
JAVA引入接口的目的主要是将抽象类与子类间的isakind关系与接口与实现类的关系区分开。
C++有抽象类而无接口的语法。
但C++的抽象类也可当作接口使用。
1纯虚函数
纯虚函数是一种特殊的虚函数，它的一般格式如下：
class
类名>
virtual
返回类型函数名（参数表）=0;
…
在许多情况下，在基类中不能对虚函数给出有意义有实现，而把它说明为纯虚函数，它的实现留给该基类的派生类去做。
这就是纯虚函数的作用。
2抽象类
带有纯虚函数的类称为抽象类。
抽象类是一种特殊的类，它是为了抽象和设计的目的而建立的，它处于继承层次结构的较上层。
抽象类是不能定义对象的，在实际中为了强调一个类是抽象类，可将该类的构造函数说明为保护的访问控制权限。
抽象类的主要作用是将有关的组织在一个继承层次结构中，由它来为它们提供一个公共的根，相关的子类是从这个根派生出来的。
抽象类刻画了一组子类的操作接口的通用语义，这些语义也传给子类。
一般而言，抽象类只描述这组子类共同的操作接口，而完整的实现留给子类。
抽象类只能作为基类来使用，其纯虚函数的实现由派生类给出。
如果派生类没有重新定义纯虚函数，而派生类只是继承基类的纯虚函数，则这个派生类仍然还是一个抽象类。
如果派生类中给出了基类纯虚函数的实现，则该派生类就不再是抽象类了，它是一个可以建立对象的具体类了。
本章小结：
动态联编下的多态性（主要体现在函数覆盖）是不太容易理解的，可以分成几个层次理解它：
1设计概计和思想，本章的例3作了较好的说明。
这是与语言无关的，也是最重要的。
2知道动态联编是“自下向上”而静态联编是“自上向下”绑定对象，对于阅读和编写程序很有帮助。
这虽是实现层面的东西，但几乎也与语言无关，因为面向对象语言都按此顺序绑定对象。
3具体到C++，通过理解虚表，理解动态联编是怎样实现的，为什么需要指针或引用调用虚函数。
本章课后习题：
理解例1-例5的代码
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